АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРОКАЛКИ КОКСА ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ
Краткое описание технологического процесса прокаливания кокса
Прокаленный кокс используется для изготовления электродов, применяемых в электролизерах для электролиза алюминия. Кокс прокаливается с целью удаления влаги и летучих компонентов для улучшения качественных показателей углеродистого сырья (нефтяных и пековых коксов): повышения плотности (di) и увеличения механической прочности. Технологическим агрегатом для прокаливания служит трубчатая вращающаяся печь, установленная с уклоном в сторону горячей головки.
В качестве топлива используется мазут.
Загружается сырой кокс в печь через холодную головку из расходного бункера ленточным весоизмерителем. Процесс прокаливания проходит по принципу противотока. Кокс по мере прохождения печи нагревается. При этом из него вначале удаляется влага, а затем при температуре 300-700 0С – большая часть летучих. Качество прокаленного кокса зависит от температурного режима в печи и времени нахождения материала в ней. Для коксов, используемых для анодов в производстве алюминия, наилучшей контрольной величиной является действительная плотность. Действительная плотность прокаленного кокса тем выше, чем ниже его удельное электрическое сопротивление. Динамика изменения действительной плотности нефтяного кокса приведена на графике (рисунок 2).
di, г/см3
1200 0С
1300 0С
Рисунок 2 – Динамика изменения действительной плотности
нефтяного кокса
Нагретый до 1200-1450 0С кокс поступает в водоохлаждаемый холодильник, установленный под печью, где охлаждается до температуры 70-100 0С.
Процесс прокалки кокса во вращающейся печи
как объект автоматизации
На основании опыта эксплуатации и экспериментальных данных систематизируем основные параметры прокалочной печи по признаку: входные, режимные, выходные.
? ??????? ?????????? ???????? ????? ??????? ???????????? ?????????? (????????? – Wk, ????????? – ?k, ?????????? ??????? – C?k), ???????????? ?????? ????? ? ??? ?????????? – Gk, ?????? ?????????? ??????? – G?, ? ????? ??????????? ?? ???? ?????????? (??????? 3).
Рисунок 3 – Процесс прокалки кокса во вращающейся печи как объект управления
????????? ???????????? ????????: ????????? ??????? (????????) ?????? – G?(??), ?????????????? ??????? ?????????? ??????, ??????? ??????? ?? ??????? ???? G?, ????????? ????????? ???? (L), ? ????? ????????? Wk, ?k, C?k.
Второстепенные параметры (изменение толщины футеровки, изменение теплотворной способности мазута, изменение температуры вторичного воздуха и т.д.) из рассмотрения были исключены.
????????? ??????????? ????? ???????: ?????????? ? ???????? ??????? ???? – ??.?.; ?????????? ????????? ? ????????? ????? – ??2; ??????????? ????????? ????? – ??.?.; ???????? ?????????? ? ???????? - ???; ??????????? ???????????? ????? ?? ?????? ?? ???? – ???? ???????? ???????????????? ???????? ??????? ???? – Q?.
????????? ??????????? ???????? ???????? ????????: ?????????? ???????????? ????? ?? ?????? ?? ???? – Gk?, ???????? ????????? ???????????? ????? – di? ???????? ???????????????????? ????? ? ???????.
? ???????? ??????????? ??????????? ????????????: ?????? ?????? ????? ? ???? – Gk, ?????? ?????? – G?, ?????? ???? (?????????????? ??????? ?????????? ??????) – G?, ?????? ?????????? ??????? ? ???? – G?, ?????????? ? ???????? ??????? ???? – ??.?.
На рисунке 4 приведена схема взаимосвязей основных параметров процесса прокаливания кокса.
Рисунок 4 – Схема взаимосвязей основных параметров процесса прокаливания кокса
??????????????? ?????? ?????? ?????, ????????? ?????????, ????????? ? ?????????? ??????? ? ??? ?????????????? ??????????? ?? ?????????? ???????? ????????. ??? ?????????? ?????????? ???????????? ????? Gk, ????????? ??? ????????? Wk, ?????????? ??????? C?k? ???????? ????????? ?k????? ? ?????????? ????? ???? ???????????? ? ?????? ?? ? ?????? ??????? ????.
??????????? ?????? ?? ????????????? ??????????? ?? ????? ???? ? ????????? ???????? ??????. ??? ?????????? ?????????? ??.?, ???? ???????????? ????????? ? ??????? ??????? ???? ? ????? ????? ?? ?????????????, ??? ???????????? ????????? ?????????????????? ??????????? ?????? ??? ????????? ??????????????????. ?????? ??? ?????????? ?????????? ??????????? ????????????? ???? ?????? ?????? ?????, ?.?. ?????????? ?????? ?????. ? ????? ?? ???????? ? ??????? ?????? ??????? ? ???? (G?), ?.?. ????????????? ???? ????? (q).
??????????? ???????????? ????? ???????????? ??????????? ?? ??????????? ????????? ?????. ? ?????? ??????? ??.?., ??????????????? ????????? ???? ???????? ?? ?????? ?????????, ?????? ?? ???.
АСУ ТП прокалки кокса
??? ?? ???????? ????? ?? ??????????? ???? (??????? 5, 6) ????????? ?? ?????????????? ????????. ?? ?????? ??????, ??????????? ?? ???? ?????????????????? ??????????? SimaticS– 155, ?????????????? ?????????????? ???????? ???????? ?????????? ???????? ???????? (????????: ?????? ?????, ??????, ???? ?? ?????????? ??????, ?????????? ???????, ???????????? ?????; ???????????: ????????? ?????, ???????????? ????? ?? ?????? ?? ???? ????????, ????? ??????-????????????; ?????????? ? ???????? ??????? ????, ???????????? ????????? ? ????????? ?????) ? ?????????????? ????????????? ????????? ?? ??? (??????????? ???????????? ????? ?? ?????? ?? ???? ????????, ??????????? ????????? ?????, ???????? ?????? ?????, ?????? ? ????, ? ????? ??????????? ???????? ?????? ? ???????). ???????? ?????????? (????????? ????????? ? ??????????????????? ??????? ???????????? ?????, ?????????? ??? ? ???????) ??????????????, ? ????????, ???????? ?????????????? ???????????? ??????? ?????? ????? ? ?????????? ?? ??????????? ???? ?????????????? ?????? ????? ?? ????? ???????????? ?????????????? ? ??????????????? ????????????? ??????????? ????????? ?????, ??????? ? ????????????? ????????? ???? ????????. ????? ???????????? ????????? ????? ? ???????????? ????? ?? ?????? ?? ???? ???????? ?????????? ?????????? ?????? ????? (??????????? ?????????? r? - 0,6). ??????? ??? ???????????? ??????????? ????????? ????? ?? ????? ???????????? ?????????? ?? ????????? ???????? ??????????? ????? ?? ?????? ?? ???? ????????. ? ?? ??????????, ??????? ?????????, ????? ??????????????? ???????? ???????????? ?????? ??????????? ?????????? ??????? ?????? ? ????.
Таким образом, для уменьшения отклонений температуры кокса на выходе из зоны прокалки вследствие изменения состава и крупности загружаемого кокса необходимо изменять разрежение в холодной головке печи, расход мазута и подачу воздуха при автоматическом поддержании необходимого соотношения расходов мазута и воздуха.
??????? ?????????????? ???????????? ????????: ?????????????? ?????, ?????? ? ???? ????????????? ?????? ???????????? ? ?????????????? ??????? ?? ????????? ?????? ?, ??? ?????, ???????????? ??????????? ?????????? ???????? ????????.
|
Рис. 4 Структурная схема АСУ ТП прокалки |
|
Рисунок 6 – Функциональная схема АСУ ТП прокалки |
Системы автоматического регулирования (АСР) в целом обеспечивают стабилизацию температурного режима процесса прокалки, что позволяет использовать их в автономном режиме без верхней иерархической ступени. Они выполнены по схеме одноконтурного регулирования по отклонению, однако в автоматической системе стабилизации расхода сырого кокса введена коррекция по мгновенному весу фиксированного объема кокса на ленте транспортера весоизмерителя, который косвенно характеризует крупность и влажность загружаемого кокса.
На верхнем уровне, реализованном на базе рабочей станции, с помощью нейросетевой математической модели осуществляется прогнозирование истинной плотности прокаленного кокса и расчет оптимальных уставок (заданий) локальным АСР.
??? ???????? ???????????? ?????????????? ?????? ?????????????? ??????? (????? ????????) ????????????? ?????????? «Qnetv.1».
При решении прямой задачи (прогноз качества прокаленного кокса) использовалась нейросеть (НС) на базе многослойного персептрона с полными связями, имеющая четыре скрытых слоя нейронов (рисунок 7).
Рисунок 7 – Нейросеть прямой задачи (НС-1)
??? ???????? ???? ?????????? ???????????????? ???????? ????????? ??????????????? ? ?????????????? ???????. ? ???????? ??????? ?????? ?? ?????? ?????????? ???????? ???????? ??????????????? ?????????? ???????? (???????? ?????? (??) ? ???? (??), ?????????? ? ???????? ??????? ???? (??.?.), ??????????? ????? ?? ?????? ?? ???? ????????, ???????? ?????????? ????????? ????? ? ???????? (?2-?1), ??????????? ????????? ?????, ?????? ?????? ?????, ????????? ? ?????????? ??????? ? ????????????? ?????). ?? ?? ?????? ?????? (????? ????????) ???????????? ???????? ???????? ?????????, ?????????????? ????? (d???.). ????????? ????????? ????? ??????? ???????? (?????? ??????? d???. ?? ????????? 1%).
??? ??????? ???????? ?????? – ?????????? ??????????? ??????? ??????????? ????????? ???, ? ??????????? ?? ???????? ?????? ????? ? ????????? d???.(2,03 ?/??3), ?? ??????? ???? ???????? ?? 3 ???????, ? ???????? – 7, ? ?????????? ??????? ????? – 2 (??????? 8).
Рисунок 8 – Нейросеть обратной задачи (оптимизации) - НС-2
??????? ?? ????? ????????? ???????? ?? ?????????, ??????????????? ???????? ?????????????? ????? (Wk, ??k) ???????????????? ?????????? ? ????????? ?? ???????????????? ?????????? ???????? d???. = 2,03 ?/??3, ???????? ????????? ?????? ???????? (??????? ??????? ??????????? ????????? ???).
Использование для создания управляющей математической модели нейросети позволяет повысить точность прогнозирования истинной плотности прокаленного кокса и управления процессом, упростить процедуру нахождения оптимальных значений режимных параметров (заданий для АСР) и подстройки модели при изменении характеристик прокалочной печи.